Universalcontroller mit Prozessorupdate

Flexible Module
mit 4k-Bildausgabe

Schon die Qseven-Module mit den Atom-Prozessoren der E3800-Generation Baytrail hatte MSC Technologies als Problemlöser für den mittleren Anforderungsbereich ins Rennen geschickt. Nun steht mit der N3000-Familie von Intel die nächste Generation von Prozessoren in den Startlöchern. Sie sollen leistungsfähiger sein und gleichzeitig durch ihre Herstellung im 14nm-Verfahren mit weniger Strom als die Generation zuvor auskommen. Mit seinen kürzlich vorgestellten gleichnamigen Modulen erweitert der Embedded-Systemanbieter nun seine Palette an bezahlbaren Universalcontrollermodulen.

Die neuen Prozessoren von Intel sollen deutlich weniger Strom als ihre Vorgänger benötigen. Die Leistungsaufnahme gibt der Hersteller etwa für den Dual-Core Celeron N3000 bei 2,08GHz mit 2,5 bis 4W an. Der Quad-Core Pentium N3700 soll bei einer Taktfrequenz von 2,46GHz mit 4,5 bis 6W Verlustleistung auskommen und damit deutlich niedriger als ein in etwa gleich schneller E3845 oder J1900-Prozessor der BayTrail-Serie liegen. Im Verbrauch dazwischen bewegen sich je eine weitere CPU mit vier und zwei Kernen. Der Technologielieferant MSC Technologies hat nun seine neue Qseven-Module auf die neuen Prozessoren umgerüstet. Die Module sind im Format 70x70mm konstruiert und sollen eine geeignete Plattform für die Atom-Prozessoren darstellen. Da sie mit einer weitreichenden Anzahl an Funktionselementen ausgestattet sind, können die Prozessoren als ‚System-on-Chip‘ (SoC) bezeichnet werden. Die meisten Schnittstellen des Modul-Standards können direkt mit dem Prozessorchip verbunden werden. Nur das Ethernet-Element ist per externem Controller an einer PCI-Express-Leitung des SoC angeschlossen. Diese Bauweise ermöglicht es, auf der Modulfläche bis zu acht DRAM-Chips sowie auf Wunsch bis zu zwei verschiedene Flash-Bausteine unterzubringen. Das kann der Einbau einer externen Festplatte ersetzen und so einen kompakteren Aufbau ermöglichen. Die Systemkosten sollen sich auch mit dem Qseven-Konnektor verringern lassen, der als Platinenstecker auf dem Trägerboard sitzt, während die vergoldeten Kontakte auf dem Modul Teil der Leiterplattenherstellung und daher weitgehend kostenneutral sind.

Verschlüsselung per Trusted Platform Module

Die neu gestalteten Qseven-Module mit den Braswell-Prozessoren (MSC Q7-BW) haben ein schnelleres Speicherinterface bekommen. Nun sind bis zu acht Gigabyte Hauptspeicher gemäß der Spezifikation DDR3L-1600 möglich, während die bisherigen BayTrail-Module nur den langsameren DDR3L-1333-Speicher unterstützen, dafür auf Wunsch mit der Sicherheitsfunktion ‚Error Check and Correct‘ (ECC) zur Verfügung stehen. Beide Modulfamilien können mit dem Verschlüsselungschip Trusted Platform Module (TPM) ausgestattet werden. Zudem lassen sich in das AMI Aptio-BIOS zusätzliche Sicherheitsmerkmale wie ‚Secure Boot‘ hinzufügen. Weitere Unterscheidungsmerkmale der Q7-BW- und Q7-BT-Module sind die zwei Typen von Flash-Speicher, die optional auf den Modulen bestückt sein können: ein eMMC-Flash mit bis zu 64GB Kapazität sowie zusätzlich (oder alternativ) eine SATA SSD Flash-Disk mit eine Kapazität bis 64GB. Mit der unterschiedlichen Funktionsweise dieser beiden Flash-Speicher lassen sich unterschiedliche Design-Ziele realisieren: Der eMMC-Baustein ist mittels SD-Schnittstelle angebunden und im Grunde eine aufgelötete SD-Karte. Sie wird von der Software im System wie diese behandelt. eMMC-Speicherchips sind deutlich günstiger als SATA-angeschlossene Flash-Disks, doch haben manche Windows-Betriebssysteme Probleme damit, von einem eMMC-Flash zu starten. Daher ziehen es viele Anwender von Windows 7 und Windows 8 vor, SATA-SSDs als Programm- und Datenspeicher für ihre Systeme zu verwenden. Bei Systemen mit höheren Anforderungen an die Betriebssicherheit kommt hinzu, dass dort Flash-Speicher mit Multi-Level-Speichertechnik (MLC) nicht zulässig sind und daher Single-Level-Cell-Speicher (SLC) gefordert wird. Jedoch gibt es keine eMMC-Bausteine mit SLC-Funktion auf dem Markt. SATA-SSDs können in fast allen Größen gegen Aufpreis auch mit SLC-Technik bezogen werden. Aus diesem Grunde greift MSC für seine Qseven-Module auf beide Flash-Typen zurück. Zwar werden meist Modulvarianten mit nur einem Flash-Typ nachgefragt, doch für Evaluation und Test hat der Hersteller eine spezielle Variante im Angebot. Diese ist mit beiden Flash-Speicherchips bestückt und daher insbesondere für den Einsatz in der Entwicklungs- und Prototypenphase ausgelegt.

Ausreichend Schnittstellen vorhanden

Die USB-Schnittstellen der Braswell- und BayTrail-Chips sind innerhalb der Anschlussbelegung der Qseven-Module zugänglich. Es gibt einerseits USB-Anschlüsse mit der üblichen ‚Host‘-Funktion, bei der der vorhandene Rechner den ‚Master‘ darstellt und das angeschlossene Gerät den ‚Slave‘ oder ‚Client‘. Andererseits bieten die Module Schnittstellen mit USB Client-Funktionalität. Diese Anforderung ist für Embedded-Hardware beinahe schon typisch. Bei den Modulen Q7-BW und Q7-BT hat MSC eine USB3.0-Host-Schnittstelle eingerichtet, zudem bieten die Einheiten auf Wunsch einen USB3.0-Client-Port. Aufgrund der benötigten Leitungen belegt dieser jedoch zwei USB-Host-Anschlüsse.

Bildausgabe in 4k möglich

Die N3000-Prozessoren sind mit der Intel Gen 8 Graphics Engine ausgerüstet. Das Subsystem besteht aus bis zu 16 Graphics Execution Units und kommt mit Auflösungen bis zu 3.840×2.160 (4k) zurecht. Mit den Braswell-Prozessoren lassen sich drei unabhängige Bildschirminhalte kontrollieren und über die vorhandenen Grafik-Schnittstellen anzeigen. Unterstützt werden nun DirectX 11.1 und OpenGL 4.2, was bisher den rechenstärkeren Core-Prozessoren vorbehalten war. Außerdem lässt sich mittels OpenCL 1.2 die Supercomputer-Leistung der Execution Units für ‚Number Crunching‘ verwenden. Rechenaufgaben können ohne Kenntnis der Struktur und Programmierung der Grafik-Einheiten über den Formalismus von OpenCL an die Grafik-Coprozessoren übergeben werden. Diese rechnen unabhängig und geben ihre Ergebnisse dann an die CPU zurück. Während dieser Zeit steht der Grafikteil des Chips nicht für grafische Aufgaben zur Verfügung. Wenn die Grafik-Hardware ausschließlich für die Berechnung der visuellen Ausgabe zuständig ist, soll sie 4k-Videos im H.265-Standard flüssig darstellen können, ohne die CPU allzu stark zu beeinträchtigen. Alternativ kann die Grafik-Einheit mehrere Streams von kleineren Video-Kanälen auf bis zu drei Grafik-Anschlüssen parallel ausgeben.

Drei unabhängige Grafikausgänge

LCD-Anzeigen steuert das Q7-BW-Modul über einen zweikanaligen LVDS-Kanal an. Zudem gibt es einen Grafikkanal mit TMDS-Signalen für den Anschluss von HDMI- oder DisplayPort-Monitoren. Dafür ist das Trägerboard mit einem TMDS-Translatorbaustein zu bestücken. Anstelle der LVDS-Signale können als Bestückungsvariante die ursprünglichen eDP-Signale zum Qseven-Konnektor geführt werden, die auf Wunsch zwei eDP-Kanäle implementieren und zusammen mit dem HDMI / DVI- beziehungsweise DisplayPort-Ausgang drei unabhängige Grafikausgänge darstellen.

Allgemein einsetzbarer Controller

Mit der Grafikleistung der N3000-Prozessoren sind die Q7-BW-Module in der Lage, grafikintensive Anwendungen auszuführen. Darüber hinaus sind sie als allgemein einsetzbare Controller konzipiert, die durch ihre niedrige Kosten- und Leistungsaufnahme sowie die hohe Rechenleistung für zahlreiche Applikationen geeignet sein sollen. Für den Einsatz im erweiterten oder industriellen Temperaturbereich sind weiterhin eher die BayTrail-Produkte geeignet, da sich die Braswell-Prozessoren lediglich im normalen Temperaturbereich betreiben lassen. Die Q7-BW-Module sind immer dann erste Wahl, wenn mehr Rechen- und Grafikleistung bei geringerer Stromaufnahme gefragt ist. Das betrifft Anwendungen im industriellen Steuerungsumfeld, bei Visualisierungen und Mensch-Maschine-Schnittstellen und für Digital Signage und Point-of-Sale-Informationen. Gerade im Medizinbereich könnte die höhere Auflösung der Braswell-Grafik für ein günstigeres Preis- / Leistungsverhältnis sorgen. Obwohl die N3000-Prozessoren nur als Dual-Core- und Quad-Core-CPUs verfügbar sind, kommen sie wegen der niedrigen Stromaufnahme besser für tragbare, batteriebetriebene Anwendungen in Frage als ihre Vorgänger.